橡胶应力吸收层在曲靖市靖江路“白改黑”项目中的应用研究

孟俊仓、王维广

[1.昆明市政工程设计研究院（集团）有限公司，云南 昆明 650228；2.林同棪国际工程咨询（中国）有限公司昆明分公司，云南 昆明 650228]

0 引言

水泥混凝土路面一般由混凝土面层、基层、垫层组成，通常用于高等级路面。由于混凝土路面具有较高的强度，稳定性好、耐久性好，有利于夜间行车等众多优点，在我国特别是南方地区早期的市政道路工程中得到了广泛的应用。但随着这批市政道路接近或达到设计年限，在行车荷载和自然因素的长期作用下，水泥混凝土路面常见的病害，如裂缝、接缝材料破损、边角碎裂、拱起、错台、唧泥、板块沉陷、坑洞、表面裂纹与层状剥落等逐渐凸显。路面病害的产生将严重危及人民的生命和财产安全，为人民的出行和生活带来极大的不便，因此对老城区接近或已达到设计年限的现状混凝土路面进行“白改黑”改造，继续发挥道路的使用功能，提高行车的安全性成为当下较为常见的改造方案。

水泥混凝土路面为刚性路面，较大的温度收缩和翘起变形会产生较大的应力，通常引起路面加铺层的反射裂缝，缩短路面的使用年限，造成经济上的浪费。以曲靖市靖江路“白改黑”项目为案例，分析研究橡胶应力吸收层在现状混凝土路面“白改黑”的应用及效果分析，为后续“白改黑”项目提供理论依据和实践经验，具有一定的参考和实用价值。

1 项目概况

靖江路位于曲靖市麒麟区，西起于金宝路，东止于南盘江，道路全长约4.3km，道路边线宽50m，道路等级为城市主干路，设计速度为40km/h。改造前，道路为混凝土路面，已接近道路使用年限，道路出现多种病害，严重影响人民的出行安全。根据曲靖市靖江路“白改黑”工程路面工程质量检测报告，改造前靖江路现状混凝土路面病害类型及分析见表1。

表1 改造前混凝土路面病害类型及分析

表1（续）

2 根据靖江路改造前混凝土路面结构参数调查评估分析确定“白改黑”加铺方案

2.1 靖江路改造前混凝土面层厚度标准值

式（1）中：he为靖江路改造前混凝土面层测量厚度标准值（mm）；为靖江路改造前混凝土面层测量厚度平均值（mm）；sh为靖江路改造前混凝土面层厚度测量值的标准差（mm）。

2.2 靖江路改造前混凝土面层的弯拉强度标准值

式（2）～式（3）中：fr为靖江路改造前混凝土面层弯拉强度标准值（MPa）；fsp为靖江路改造前混凝土面层的劈裂强度标准值（MPa）；为靖江路改造前混凝土强度面层的劈裂强度测定值的平均值（MPa）；ssp为靖江路改造前混凝土强度面层的劈裂强度测定值的标准差（MPa）。

2.3 靖江路改造前混凝土弯拉弹性模量标准值

式（4）中：Ec为靖江路改造前混凝土面层的弯拉弹性模量标准值（MPa）；fr为靖江路改造前混凝土面层的弯拉强度标准值（MPa）。

2.4 靖江路改造前混凝路面基层顶面的当量回弹模标准值

式（5）中：Et为基层顶面的当量回弹模量标准值（MPa）；SI为路面结构荷载的扩散系数；w0为荷载中心处的弯沉值（0.01mm）。

靖江路改造前水泥混凝土路面如图1所示，靖江路水泥混凝土路面力学试验如图2所示。

图1 靖江路改造前水泥混凝土路面

图2 靖江路水泥混凝土路面力学试验

根据曲靖市靖江路“白改黑”项目改造前路面工程质量检测报告数据及以上混凝土路面结构参数，调查评估分析结果如下：错台率0，平均错台量0mm，接缝传荷能力kj=72.4%，根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）表8.2.2、8.3.3，路面损坏状况分级标准为良，接缝传荷能力分级标准为中。

3 设计方案

根据曲靖市靖江路“白改黑”项目改造前路面工程质量检测报告数据，结合表2、3 进行评估，路面损坏状况分级标准为良，接缝传荷能力分级标准为中。沥青混凝土面层加铺方案如下：

表2 路面损坏状况分级标准

表3 路面接缝传荷能力分级标准

其一，对混凝土路面进行更换或病害修复，更换破碎板，修补和填封裂缝，压浆填封板底脱空，磨平错台，清除现状混凝土面层表面松散碎屑、油迹或轮胎擦痕，剔除接缝中失效的填料和杂物，并重新封缝；其二，清洗、除尘；其三，1cm 橡胶沥青应力吸收层E3=650MPa；其四，6cm 中粒式沥青混凝土（AC-20C),E2=1200MPa；其五，黏层沥青；其六，4cm 橡胶改性细粒式沥青混凝土（AR-AC13),E1=1400MPa。

4 反射裂缝产生的原因及橡胶应力吸收层的作用机理

4.1 反射裂缝产生的原因

沥青混凝土面层反射裂缝主要有沥青面层层底拉应力引起的张开裂缝和剪应力引起的剪切裂缝。水泥混凝土路面为刚性路面，较大的温度收缩和翘起变形产生较大的应力，通常会引起加铺层底部较大的拉应力、剪应力，造成加铺面层的反射裂缝。

4.2 橡胶应力吸收层的作用机理

橡胶应力吸收层可以有效地降低沥青面层底面（应力吸收层顶部）的拉应力、剪应力。该案例采用1cm 的橡胶应力吸收层，在加铺沥青下面层和混凝土面层之间形成防裂缝反射结构层，混凝土路面的各种裂缝很难穿透橡胶应力吸收层，对防反射裂缝起到良好的作用。橡胶应力吸收层采用橡胶沥青与单一粒径的碎石强力黏结形成，橡胶沥青会在路面上形成3～4mm 厚度的沥青薄膜，阻止雨水向下渗透，避免雨水对路基的破坏。在橡胶沥青顶部摊铺下面层沥青混合料时，橡胶应力吸收层顶部的部分橡胶沥青会二次融化。在面层压实过程中，二次融化的橡胶应力吸收层会对下面层底部沥青混合料的缝隙进行填充，避免雨水滞留在下面层与应力吸收层之间，造成基层损坏。橡胶沥青黏结性较大，可以将沥青面层与现状混凝土路面牢固地黏结在一起，从而使加铺层与现状混凝土路面很好地黏结，避免加铺层与老路脱离。

5 沥青面层层底拉应力计算参数选择及模型

路面结构力学指标计算采用的计算模型为双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系模型。路面结构设计采用轴重100kN 的单轴-双轮组为设计轴载，具体设计参数详见表4。该次计算模型：在混凝土路面上铺设1cm 橡胶沥青应力吸收层，6cm 中粒式沥青混凝土（AC-20C),E2=1200MPa 下面层，4cm 橡胶改性细粒式沥青混凝土（AR-AC13）上面层，E1=1400MPa，泊松比取值0.25。力学指标相应计算点位置如图3所示。

图3 力学指标相应计算点位置

表4 计算参数

6 利用HPDS2011 路面结构设计软件计算结果分析

HPDS2011 软件由东南大学交通学院教授编制，其中，旧混凝土路面加铺层设计模块能很好地模拟混凝土路面加铺层的层底拉应力和剪应力。该案例结合改造方案利用HPDS2011 软件进行模拟。

根据计算模型设计参数利用HPDS2011 软件对沥青面层底面（应力吸收层顶部）的拉应力、剪应力进行计算，根据计算结果可知拉应力、剪应力较无橡胶应力吸收层减少约30%，可以有效地减缓沥青面层的反射裂缝产生。

7 结论

其一，在混凝土面层顶部加铺橡胶应力吸收层，能够减小面层1、面层2 的最大拉应力、最大剪应力，缓解加铺层与混凝土面层接触处的应力集中现象，从而减缓加铺层反射裂缝的产生。其二，橡胶应力吸收层采用橡胶沥青与单一粒径的碎石强力黏结形成，橡胶沥青通常会在路面上形成3～4mm 厚度的沥青薄膜，阻止雨水向下渗透，避免雨水对路基的破坏。其三，根据橡胶应力吸收层的作用机理，橡胶应力吸收层可以有效地改善下面层底部的密实度，避免雨水对基层的破坏。其四，橡胶应力吸收层将混凝土路面与加铺层很好地黏结在一起，避免加铺层与现状混凝土面层脱离，可以大大延长道路的使用寿命。其五，随着“白改黑”工程的增多，该工程的设计方案对后期同类项目的方案设计具有一定的参考价值。